專(zhuān)利名稱(chēng)：基于雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)的mems寬頻壓電能量采集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種能源技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu) 的MEMS寬頻壓電能量采集器。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems)是在微電子技術(shù)基 礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的集微型機(jī)械、微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理、智能控制于一體 的一項(xiàng)新興的研究領(lǐng)域。隨著無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式智能結(jié)構(gòu)和可穿戴式健康 監(jiān)測(cè)等功耗低、獨(dú)立工作系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對(duì)長(zhǎng)壽命的獨(dú)立電源供應(yīng)技術(shù)的需求 越來(lái)越強(qiáng)烈。目前，環(huán)境振動(dòng)能量采集技術(shù)是解決以上問(wèn)題的有效方法。以壓電 材料的壓電效應(yīng)作為換能基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制作的微型壓電發(fā)電裝置因具備體積小，能量 密度高，壽命長(zhǎng)，可與MEMS加工工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得了廣泛的關(guān)注。
MEMS壓電能量采集器的工作原理是基于壓電材料的正壓電效應(yīng)，其正壓電效 應(yīng)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，當(dāng)外力作用到壓電元件上并引起材料發(fā)生變形，材料 內(nèi)部正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小，導(dǎo)致原來(lái)吸附在電極上 的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。所產(chǎn)生的電能依賴(lài)于外部環(huán)境 振動(dòng)頻率，當(dāng)壓電能量采集器的系統(tǒng)頻率與外部振動(dòng)頻率相匹配產(chǎn)生共振時(shí)，將 輸出最大功率，但是，當(dāng)壓電能量采集器的系統(tǒng)頻率偏離外部振動(dòng)頻率時(shí)，輸出 的功率將減少。
利用MEMS技術(shù)研制的壓電式振動(dòng)能量收集器，由于尺寸微小其固有頻率較高， 通常遠(yuǎn)高于環(huán)境振動(dòng)頻率。自然環(huán)境振動(dòng)頻率一般小于1000HZ范圍內(nèi)，而且主要 集中在小于100Hz的范圍內(nèi)。因此，目前的MEMS能量采集技術(shù)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)在低頻 環(huán)境下(小于100Hz)的能量采集。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，Marco Ferrari, Vittorio Ferrari等在 《Sensors and Actuators A》142 ( 2008 ) 329-335撰文"Piezoelectric multifrequency energy converter for power harvesting in autonomous壓電能量收集器"《傳感器與執(zhí)行器A》)。 該文中提及到的實(shí)現(xiàn)頻率匹配的方法是采用多個(gè)不同自然頻率的雙晶片壓電懸臂 梁組成的陣列實(shí)現(xiàn)更寬的等效頻帶。但是，用這種方法一方面增大了壓電能量采 集器的結(jié)構(gòu)尺寸，而且使懸臂梁的制造過(guò)程變得復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)的 MEMS寬頻壓電能量采集器，使壓電換能元件在低頻振動(dòng)環(huán)境下獲得較大的輸出 功率，以解決傳統(tǒng)的MEMS壓電能量采集器工作頻帶窄、固有頻率高等問(wèn)題。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括框架和設(shè)于框架內(nèi)的雙穩(wěn) 態(tài)梁、壓電懸臂梁、永磁鐵、軟磁鐵，雙穩(wěn)態(tài)梁的兩端均固支于框架上，永磁鐵 附著于雙穩(wěn)態(tài)梁上，壓電懸臂梁的一端固定于框架上，軟磁鐵設(shè)置于壓電懸臂梁 上。
所述雙穩(wěn)態(tài)梁的長(zhǎng)度比框架內(nèi)部的寬度要長(zhǎng)，雙穩(wěn)態(tài)梁水平放置，且雙穩(wěn)態(tài) 梁屈曲于框架內(nèi)。
所述雙穩(wěn)態(tài)梁的兩端均固支于框架上。
所述壓電懸臂梁的一端固支于框架上，壓電懸臂梁的另一端懸空。 所述軟磁鐵設(shè)于壓電懸臂梁的懸空端的上表面。 所述永磁鐵附著于雙穩(wěn)態(tài)梁的下表面的中部。 所述永磁鐵與軟磁鐵的中心軸線(xiàn)相同。
所述壓電懸臂梁，包括三層，中間層為金屬層，上層和下層均為壓電層。
上層壓電層和下層壓電層上均覆蓋有電極。
上層壓電層電極和下層壓電層電極串聯(lián)連接。
本發(fā)明的工作原理為雙穩(wěn)態(tài)梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度比框架內(nèi)部的寬度要長(zhǎng)，雙穩(wěn)態(tài)梁 結(jié)構(gòu)在框架內(nèi)部受軸向力作用下發(fā)生屈曲，并穩(wěn)定平衡放置于框架內(nèi)部，此時(shí)為 雙穩(wěn)態(tài)梁的第一個(gè)穩(wěn)態(tài)位置。當(dāng)環(huán)境振動(dòng)作用于雙穩(wěn)態(tài)梁上的外界橫向力增大到 一定值時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)梁向下運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定在另一個(gè)狀態(tài)，此時(shí)為雙穩(wěn)態(tài)梁的第二個(gè)穩(wěn)態(tài) 位置。當(dāng)把本發(fā)明放置于環(huán)境振動(dòng)中，在一定的振動(dòng)加速度條件下，雙穩(wěn)態(tài)梁可 在第一穩(wěn)態(tài)和第二穩(wěn)態(tài)間相互切換。當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)梁從第一穩(wěn)態(tài)位置轉(zhuǎn)為第二穩(wěn)態(tài)位 置時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)梁上的永磁鐵與壓電懸臂梁上的軟磁鐵之間的距離將減少，永磁鐵和軟磁鐵之間的磁場(chǎng)力增大，會(huì)克服壓電懸臂梁內(nèi)部的彈性變形力而吸引壓電懸 臂梁上的軟磁鐵，使壓電懸臂梁向上彎曲，且懸臂梁內(nèi)部的彈性變形力會(huì)隨著懸 臂梁向上運(yùn)動(dòng)而不斷增大。隨后，由于外界環(huán)境的振動(dòng)，雙穩(wěn)態(tài)梁將從第二個(gè)穩(wěn) 態(tài)位置切換到第一個(gè)穩(wěn)態(tài)位置，此時(shí)，永磁鐵和軟磁鐵間的距離增大，相互間的 磁場(chǎng)力較小，遠(yuǎn)小于壓電懸臂梁內(nèi)部彈性變形力，壓電懸臂梁在內(nèi)部彈性變形力 的作用下將向下運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致壓電懸臂梁以自身的固有頻率作機(jī)械阻尼振動(dòng)。 因壓電懸臂梁的固有頻率遠(yuǎn)高于100HZ內(nèi)的環(huán)境振動(dòng)頻率，從而將外界環(huán)境中的 低頻振動(dòng)轉(zhuǎn)化為壓電懸臂梁的高頻振動(dòng)。由于存在阻尼，壓電懸臂梁的振動(dòng)幅度 將逐漸減少，但在某一時(shí)刻，當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)梁再一次切換到第二穩(wěn)態(tài)位置時(shí)，永磁鐵 將會(huì)再次吸引軟磁鐵。因此，只要外界振動(dòng)加速度足夠提供雙穩(wěn)態(tài)梁穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換所 需的臨界力，且壓電懸臂梁與雙穩(wěn)態(tài)梁之間垂直方向距離適當(dāng)，壓電懸臂梁就能 夠不時(shí)獲得足夠的彎曲，并作高頻的機(jī)械阻尼振動(dòng)，而與外界的環(huán)境振動(dòng)頻率無(wú) 關(guān)，因而實(shí)現(xiàn)了低頻環(huán)境下獲得較大的輸出功率。
本發(fā)明采用雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)，使MEMS壓電換能元件在低頻振動(dòng)環(huán)境下獲得輸 出功率，與現(xiàn)有的MEMS壓電能量采集器相比，它不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，體積 減小，并且它可運(yùn)行于低頻環(huán)境中，且可在較寬的環(huán)境振動(dòng)頻率范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定 的功率。


圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明中的雙穩(wěn)態(tài)梁及其永磁鐵的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖l所示，本實(shí)施例包括框架l、雙穩(wěn)態(tài)梁2、永磁鐵3、壓電懸臂梁4 和軟磁鐵5，雙穩(wěn)態(tài)梁2、永磁鐵3、壓電懸臂梁4和軟磁鐵5均設(shè)置于框架1內(nèi) 部。永磁鐵3粘附于雙穩(wěn)態(tài)梁2的下表面的中間位置。壓電懸臂梁4是由壓電材 料制成，壓電懸臂梁4包括三層，中間層為金屬層，上層和下層均為壓電層，上 層壓電層和下層壓電層上均覆蓋有電極，上層壓電層電極和下層壓電層電極串聯(lián) 連接。壓電懸臂梁4的一端固定于框架1上，壓電懸臂梁4的另一端懸空。軟磁鐵5 粘附于壓電懸臂梁4的上表面，為了使永磁體與軟磁體間的磁場(chǎng)力盡可能大，軟 磁鐵5的位置在垂直方向上與永磁鐵3對(duì)齊，且中心軸線(xiàn)相同。
如圖l、圖2所示，本實(shí)施例雙穩(wěn)態(tài)梁2是由微梁結(jié)構(gòu)制成，微梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度 比框架1內(nèi)空隙的寬度要長(zhǎng)，微梁結(jié)構(gòu)在框架1內(nèi)水平放置，且其兩端與框架內(nèi) 部固支在一起，在軸向力作用下微梁結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲，構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)梁2。
雙穩(wěn)態(tài)梁2兩端均固支于框架1內(nèi)部，并在軸向力作用下發(fā)生屈曲，穩(wěn)定平 衡放置于框架1內(nèi)部，此時(shí)為雙穩(wěn)態(tài)梁2的第一個(gè)穩(wěn)態(tài)位置。當(dāng)外界振動(dòng)加速度 大于某個(gè)值時(shí)，也即作用于雙穩(wěn)態(tài)梁2上的外界橫向力增大到一定值時(shí)，雙穩(wěn)態(tài) 梁將跳轉(zhuǎn)另一穩(wěn)態(tài)位置，設(shè)于雙穩(wěn)態(tài)梁2下表面中部的永磁鐵3會(huì)與設(shè)置于壓電 懸臂梁4上的軟磁鐵5相互吸引。雙穩(wěn)態(tài)梁2與壓電懸臂梁4垂直方向上的距離， 應(yīng)設(shè)計(jì)保證雙穩(wěn)態(tài)梁2上的永磁鐵3在梁的第二個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)能夠吸引壓電懸臂 梁4上的軟磁鐵5，且應(yīng)保證永磁鐵3和軟磁鐵5不會(huì)相互接觸吸合。
本實(shí)施例在制作時(shí)，將一永磁鐵粘附于一直梁的中間位置；制作屈曲雙穩(wěn)態(tài) 梁，使梁處于第一穩(wěn)態(tài)。對(duì)直梁施加軸線(xiàn)預(yù)應(yīng)力，且該預(yù)應(yīng)力大于梁的屈曲臨界 力，使屈曲雙穩(wěn)態(tài)梁兩端固定于發(fā)電器框架上；制作壓電懸臂梁， 一端固支于能 量采集器框架上，另一端自由；將軟磁鐵粘附于壓電懸臂梁的自由端位置。
本實(shí)施例可根據(jù)具體的應(yīng)用要求，采用相應(yīng)的尺寸。如下表1列出了整個(gè)壓 電能量采集器尺寸大小為1 X 1 " 2的一組設(shè)計(jì)參數(shù)。
表1 1 X 1附w尺寸壓電能量采集器的一組設(shè)計(jì)參數(shù)
整個(gè)壓電能 量采集器尺 寸c附附2)雙穩(wěn)態(tài)梁尺寸 (長(zhǎng)x寬x厚) (mm3)雙穩(wěn)態(tài)梁的拱 高(屈曲穩(wěn)態(tài) 時(shí))(mm)雙穩(wěn)態(tài)梁與壓 電懸臂梁間的 距離(mm)永磁鐵塊尺 寸(長(zhǎng)x厚) C w附2 )軟磁鐵塊 尺寸(長(zhǎng)x 厚)(OT附2)
1X11X0. 04X0. 030. 150. 20. 3X0. 030. 1X0. 0權(quán)利要求
1、一種基于雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)的MEMS寬頻壓電能量采集器，包括框架和設(shè)于框架內(nèi)的雙穩(wěn)態(tài)梁、壓電懸臂梁、永磁鐵、軟磁鐵，其特征在于，雙穩(wěn)態(tài)梁的兩端均固定于框架上，永磁鐵附著于雙穩(wěn)態(tài)梁上，壓電懸臂梁的一端固定于框架上，軟磁鐵設(shè)置于壓電懸臂梁上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)的MEMS寬頻壓電能量采集器， 其特征是，所述雙穩(wěn)態(tài)梁的長(zhǎng)度比框架內(nèi)部空隙的寬度長(zhǎng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的基于雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)的MEMS寬頻壓電能量采 集器，其特征是，所述雙穩(wěn)態(tài)梁水平放置，且雙穩(wěn)態(tài)梁屈曲于框架內(nèi)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)的MEMS寬頻壓電能量采集器， 其特征是，所述壓電懸臂梁的另一端懸空。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)的MEMS寬頻壓電能量采集器， 其特征是，所述軟磁鐵設(shè)于壓電懸臂梁的懸空端的上表面。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)的MEMS寬頻壓電能量采集器， 其特征是，所述永磁鐵附著于雙穩(wěn)態(tài)梁的下表面的中部。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)的MEMS寬頻壓電能量采集器， 其特征是，所述永磁鐵與軟磁鐵的中心軸線(xiàn)相同。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)的MEMS寬頻壓電能量采集器， 其特征是，所述壓電懸臂梁，包括三層，中間層為金屬層，上層和下層均為壓電 層。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)的MEMS寬頻壓電能量采集器， 其特征是，上層壓電層和下層壓電層上均覆蓋有電極。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的基于雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)的MEMS寬頻壓電能量采 集器，其特征是，上層壓電層電極和下層壓電層電極串聯(lián)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電器技術(shù)領(lǐng)域的基于雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)的MEMS寬頻壓電能量采集器，包括框架，設(shè)于框架內(nèi)的雙穩(wěn)態(tài)梁、壓電懸臂梁、永磁鐵、軟磁鐵，其特征在于，雙穩(wěn)態(tài)梁的兩端均固定于框架上，永磁鐵附著于雙穩(wěn)態(tài)梁上，壓電懸臂梁的一端固定于框架上，軟磁鐵設(shè)置于壓電懸臂梁上。本發(fā)明采用雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)，使壓電換能元件在低頻振動(dòng)環(huán)境下獲得較大的輸出功率，與現(xiàn)有的MEMS壓電能量采集器相比，它不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，體積減小，并且它可運(yùn)行于低頻環(huán)境中，且可在較寬的環(huán)境振動(dòng)頻率范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的功率。
文檔編號(hào)H02N2/18GK101656493SQ20091019578
公開(kāi)日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月17日
發(fā)明者劉景全, 剛 唐, 楊春生, 芮岳峰, 閆肖肖 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)